Потоки над рельефами местности и объекты

КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЛАКТИК ХАББАРДА Регулярные и обычные галактики имеют ограниченное количество форм (эллиптические, спиральные, пересечённые), и они медленно вращаются. Однородные галактики могут быть упорядочены по форме.

Спирально нарастающий гриб называемый «фонтанирующая струя» Д’Арси Томпсоном (1942 г.) также представлен в форме модели «огрызка яблока» на Рисунке 4.13. Тогда как мы можем произвести эти паттерны, выпуская дым, жидкости, газы или масла в другие среды, они возникают при естественном обтекании жидкостями и газами фиксированных предметов, как например объекты, создающие препятствия (сваи) в реке, острова и волны, деревья и ветер. Струйные течения на высоте могут создавать такие вихри, проталкиваясь в различные воздушные массы, также как заиленная вода, поступающая в море.

РИСУНОК 4.13 МОДЕЛИ ФОНТАНИРУЮЩИХ СТРУЙ Фонтанирующая струя это простая половина основной модели, которая довольно часто наблюдается в природе, например грибы, реки, поступающие в море, медуза.

Воронки или вихри возникают, когда на пути потока имеется фиксированный объект, создающий препятствия, с каждой стороны образуется свой собственный вихрь, и каждый с разной скоростью вращения. Так образуются красивые и сложные формы (Рисунок 4.14), они лежат в основе работ Института Вирбела, исследующего формы потоков. Серия вихрей, возникающих по течению от фиксированных объектов среди потока, называются дорожки Фон Кармана.

Дорожки имеют постоянную пропорцию 1:3,6 представленную на Рисунке 4.14. Во многих реках и на береговых линиях благодаря глинистым основаниям, наносам ила, подстилающим каменистым породам могут развиваться такие паттерны, и сваи, фиксированные в реках, часто вызывают их формирование в воде. Деревья и ветроломы производят аналогичные эффекты при ветре, также как и волны в море. В случае ветров они называются СПИРАЛИ ЭКМАНА. В воздухе под воздействием спирально восходящего эффекта воздушные потоки сжимаются на высоте в 20-40 раз больше высоты дерева или забора, занимающие неизменное положение на пути воздушного потока.

Очевидно, что постоянные спирали дорожек Фон Кармана вызовут последовательные импульсы по течению, фактически мы можем это наблюдать в том как происходит большинство явлений в потоке. Таким образом, пульсация ветра, воды и потоков скорее зависит от гибких и меняющихся свойств самой среды, нежели от электро-химических «таймеров», обнаруживаемых в живых организмах. В природе имеется множество фиксированных препятствий на пути идеального невозмущённого потока.

Обычно в дорожках Фон Кармана эффекты возмущений от фиксированных препятствий повторяются 4-5 раз (Рисунок 4.14 С), после чего поток воды восстанавливает ровное течение. При более высоких скоростях струйных потоков возникает хаотичная турбуленция, при более низких скоростях простой поток обтекает встречающиеся объекты. Таким образом, мы видим, что дорожка Фон Кармана это одна из форм паттерна, образуемого при специфических условиях потока. Как бы то ни было это распространённая форма в природе.

Flow ПОТОК Eddies Завихрения Increased flow ВОЗРОСШИЙ ПОТОК РИСУНОК 4.14 ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПРЕПЯТСТВУЮЩИЙ ОБЪЕКТ (ДОРОЖКА ФОН КАРМАНА) При определённых умеренных скоростях потока вода, ветер и даже облака всегда формируют вереницу с 4-5 парными завитками, которая называется дорожка Фон Кармана; такие явления служили ориентирами для Полинезийских навигаторов (смотрите Рисунок 4.26).

Спиральный поток ветра над рядами деревьев вызывает вторичный эффект аналогичный рассеканию волн о коралловые рифы; ветер меняет направление от препятствия (где то на 15°). Такие эффекты могут происходить в средах с различными плотностями (температурами), как например тёплые воздушные потоки с высоким давлением поднимаются над более холодными фронтами с низким давлением. Температура, давление и скорость ветра или газовых систем часто взаимосвязаны:

• Низкое давление – высокая скорость – более низкая температура – (расширение).

• Высокое давление – низкая скорость – более высокая температура – (сжатие).

Скорость в газах и жидкостях строго зависит от степени близости к стационарным поверхностям, так что скорость практически нулевая очень близком расположении потока к статичным поверхностям, скорость в серии (воображаемых) ламинарных потоков нарастает по мере их удаления от статичной поверхности (Рисунок 4.17). Этот эффект наблюдается в вязком потоке в небольших каналах или протоках, который определяет формы и стратегии таких организмов как моллюск блюдечко и морская звезда.

Таким образом, мы видим, что среда в потоке может вызывать импульсы, завихрения и спирали, возникающих в результате иррегулярных или препятствующих объектов или противодействующих сред, и эти явления взаимосвязаны.

Взаимосвязи между потоком жидкости и ограничивающими условиями и формами, которые они налагают на организмы, становятся ясными из наших моделей паттернов и их состояний изменений. Развитие жизни под воздействием внутренних и внешних паттернов и жидкостей очень хорошо рассмотрено в живой и научной книге Вогеля «Жизнь в подвижных жидкостях» (1981 г.).

РИСУНОК 4.15 ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ПЛОХО ОБТЕКАЕМОГО ТЕЛА В ВОДЕ Плохо обтекаемое тело, проведённое по спокойной воде может вызвать теоретически бесконечную вереницу фонтанирующих форм, внешне напоминающую дорожку Фон Кармана.

Wind - ВЕТЕР Ekman spiral in wind - СПИРАЛИ ЭКМАНА НА ВЕТРУ Wave refraction and breaks (plan) - ПРИЛОМЛЕНИЕ ВОЛН (ВИД СВЕРХУ) Atoll - КОРАЛЛОВЫЙ РИФ Cloud train near island from ekman effect (section) - ВЕРЕНИЦА ОБЛАКОВ ОКОЛО ОСТРОВА ПОЯВИВШАЯСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭФФЕКТА ЭКМАНА (ПРОФИЛЬ) Wave overturn approaching beaches (section) - ПЕРЕВОРОТ ВОЛН, ПРИБЛИЖАЮЩИХСЯ К БЕРЕГУ (ПРОФИЛЬ) РИСУНОК 4.16 РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ ДОРОЖЕК И СПИРАЛЕЙ Эффекты воздействия фиксированных тел на ветер, волны, приливы и коридор облаков; от форм потоков возникают различные явления.

Для многих событий происходящих в потоке среды, как например планирующие в воздухе семена чертополоха, должно найтись место для их происшествия. Чтобы эти потенциальные события произошли, необходима «улавливающая» опорная поверхность или детонатор. Мы можем обеспечить множество таких приёмников или пусковых механизмов в наших проектируемых системах, и улавливать питательные вещества из потока и обеспечивать события для будущего роста нашей системы. Некоторые такие уловители формируют стартовую площадку для событий, в то время как другие это места покоя или смерти для тех организмов, жизнь которых зависит от потока, если они выброшены из своей питательной среды.

Как серия поплавков, дрейфующих в море будет следовать по предсказуемому маршруту к берегу перпендикулярно ударным волнам, так же происходит поток веществ в испытательном волновом бассейне. Аналогичным образом в море формируются линии дрейфования (ЛИНИИ ПОТОКА в базовой модели), у берега они заканчиваются и приносят или уносят вещества.

Вдоль этих линий потоков действует энергия посредством волн роста или поверхностных волн находящихся в движении. Это то, как распространяется событие и его материя; линии потоков распадаются как фронт волн и рассеиваются в открытой среде, но они сильные, концентрированные и видимы при сжатии около их источника или в мощных или преломлённых потоках.

Height above the surface - ВЫСОТА НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ Velocity - СКОРОСТЬ РИСУНОК 4.17 ДИАГРАММА ЛАМИНАРНОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПОТОКА. Трение о статичную поверхность очень сильно влияет на струйный поток в воде или воздухе. Скорость потоков, проходящих около статичной поверхности, близка к нулю, это делает поток вязкотекучим, скорость медленно нарастает по мере удаленности от статичной поверхности.

Маленькое ограничивающее отверстие во временном фронте или фронте волны действует как вторичный источник. Так же как и личинки, окольцовывающие дерево, вынуждают его разветвляться в этом месте, таким образом, ограничение потока событий вызывает формирование вторичных источников.

A streamlined or laminar flow – А ПЛАВНЫЙ ИЛИ ЛАМИНАРНЫЙ ПОТОК B bound vortex – Б ПРИСОЕДИНЁННЫЙ ВИХРЬ C vortex shedding forming ekman spirals (Von Karman vortices) – В ВИХРЕВОЙ ПОТОК ФОРМИРУЮЩИЙ СПИРАЛИ ЭКМАНА (ВИХРИ ФОН КАРМАНА) D turbulent flow – Г ТУРБУЛЕНТНЫЙ ПОТОК A → D flow increasing – ВОЗРАСТАНИЕ ПОТОКА А → Г A laminar flow – А ЛАМИНАРНЫЙ ПОТОК B captive vortices – Б ЗАХВАТЫВАЮЩИЕ ВИХРИ C vortices are shed to “Von Karman trail" (ratio 3,6:1) В ВИХРИ ОСТАВЛЯЮЩИЕ «ДОРОЖКУ ФОН КАРМАНА» (СООТНОШЕНИЕ 3,6:1) D turbulence Note narrowing of streamlines – Г ТУРБУЛЕНЦИЯ ПРИМЕЧАНИЕ СУЖЕНИЕ ЛИНИЙ ПОТОКОВ РИСУНОК 4.18 ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА ПОТОК Потоки с различными скоростями вызывают различные явления по течению. Здесь скорость возрастает от А к Г, как например ветер над изолированным островом, или водный поток проходящий через коралловые рифы.

Однажды я наблюдал это на эвкалипте, который посадил в 1953 году, он всё удваивался и удваивался, после того как личинки тонкопряда окольцевали его ствол. Сейчас это мощное и очень ветвистое дерево, но свидетельство этого незначительного стягивания до сих пор хранится в его стволе. Как дизайнеры мы можем создать такие условия небольшой стяжки или поместить фиксированные объекты на пути потока, чтобы получить определённые результаты. Тогда мы можем стать внешними формирователями событий, разворачивающихся по паттернам.

4.11